基于陰影重建形狀的視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用與介紹

自動(dòng)化視覺(jué)檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的生產(chǎn)環(huán)境的各個(gè)領(lǐng)域，從半導(dǎo)體、電子、食品和飲料、醫(yī)藥包裝、汽車(chē)制造以及其它不同行業(yè)。而視覺(jué)檢測(cè)的應(yīng)用可分類(lèi)為測(cè)量、有/無(wú)檢測(cè)、機(jī)器人導(dǎo)航、瑕疵檢測(cè)、一維或二維碼識(shí)別，以及光學(xué)文字識(shí)別（OCR）閱讀等等。常規(guī)的2D算法通常擅長(zhǎng)處理某些特征清晰且定義明確的應(yīng)用，因此檢測(cè)更加可靠。換句話(huà)說(shuō)，目標(biāo)特征必須穩(wěn)定并且清晰一致地呈現(xiàn)，檢測(cè)和識(shí)別才會(huì)比較可靠。

不過(guò)就如人生一樣，視覺(jué)檢測(cè)時(shí)常面臨挑戰(zhàn)和困境，譬如一些表面帶有天然的紋理或高度反光的物體；再譬如，一些部件經(jīng)過(guò)打磨或沖壓等制造過(guò)程，產(chǎn)生了彎曲或帶紋理的表面；還有一些物件帶有浮雕圖案或凹凸不平特征，例如是沖壓或雕刻標(biāo)記，這些都會(huì)為檢測(cè)帶來(lái)困難。傳統(tǒng)的二維算法和預(yù)處理工具往往不能可靠的解決這些問(wèn)題?；陉幱爸亟ㄐ螤睿⊿hape from Shading） 技術(shù)則是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的更可靠方法，能夠應(yīng)付這些復(fù)雜的檢測(cè)任務(wù)。

本文中一下兩個(gè)應(yīng)用案例，顯示陰影重建形狀（SFS）技術(shù)如何提高目標(biāo)物體的反差并盡可能地抑制背景噪聲，使得更容易地檢測(cè)出缺陷并成功讀取字符。

上圖：原圖像；中圖：陰影重建形狀技術(shù)處理后的圖像

下圖：利用Teledyne DALSA Sherlock軟件的陰影重建形狀技術(shù)處理后的圖像

陰影重建形狀技術(shù)的廣泛應(yīng)用

下面兩個(gè)例子顯示SFS陰影重建形狀技術(shù)的應(yīng)用如何解決一些傳統(tǒng)二維算法和預(yù)處理器難于處理的情況。在第一個(gè)案例中，制造商試圖檢測(cè)瓷磚表面的裂縫或劃痕?？墒怯捎诖纱u表面帶有復(fù)雜的紋理背景，使得一般的照明技術(shù)和常規(guī)的二維預(yù)處理器和算法很難及時(shí)檢測(cè)到異常，因?yàn)檫@些缺陷在標(biāo)準(zhǔn)成像中根本無(wú)法察覺(jué)。利用SFS技術(shù)，凹陷、裂縫和刮痕都能夠被輕易從背景中分離，分辨及被檢測(cè)出來(lái)。

在上面的示例中，可以看到字體和圖案是以凸壓方式印在名片上。如第一張圖片所示，在文首的圖片中，在名片上的壓印字體其實(shí)是很難用肉眼來(lái)閱讀的。雖然低角度暗場(chǎng)光源會(huì)有幫助，但還是不夠強(qiáng)大和穩(wěn)定。利用SFS配合多角度多重光源，可實(shí)現(xiàn)具有更高反差和更出色的合成圖像。圖像經(jīng)處理后，名片上的所有字體均清晰顯示 （如上面第二張圖片所示），以便于標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)文字辨識(shí)算法查驗(yàn)。

什么是SFS陰影重建視覺(jué)技術(shù)？

陰影重建形狀（Shape from Shading，簡(jiǎn)稱(chēng)SFS）是一種將物件形狀和它的二維表面紋理分離的技術(shù)。通常，一般來(lái)說(shuō)，它是用于突顯圖像的三維表面紋理信息，即所謂的形狀圖像，并除去高反光部分的眩光，即所謂的紋理圖像。這一技術(shù)的工作原理是利用分段環(huán)燈或獨(dú)立的條形燈并將多個(gè)圖像組合為一個(gè)圖像而起作用。拍攝過(guò)程會(huì)從一系列圖像中提取數(shù)據(jù)以揭示以前隱藏的表面特征或缺陷。

相機(jī)會(huì)按照環(huán)燈的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向，拍攝出四個(gè)不同照明角度的圖像。接著利用陰影重建形狀（SFS）技術(shù)把四個(gè)圖像合成，以顯示三維表面結(jié)構(gòu)。上面的四幀圖片顯示出一個(gè)帶紋理的瓶蓋在不同照明角度下拍攝出來(lái)的影像，以及經(jīng)SFS算法處理后的合成圖像。

下圖顯示SFS技術(shù)的合成和處理過(guò)程。

利用多角度多重光源（使用者可編程）擷取的四個(gè)影像

Teledyne DALSA Sherlock軟件里的SFS算法可計(jì)算具有3D效果的合成圖像，以增強(qiáng)對(duì)比度，同時(shí)抑制背景噪聲。

形狀圖像

工作原理如下：算法會(huì)搜尋從每一照明方向建構(gòu)出來(lái)的陰影以及突顯出來(lái)的邊緣。每一幀圖像的陰影和邊緣會(huì)組合成一個(gè)圖像，以展示各部份的高度差異。這特別有助于偵測(cè)刮痕、凹陷、遺失的部件等等。

紋理圖像

該算法還將尋找沒(méi)有直接照明的圖像區(qū)域。然后，它將看起來(lái)相同的圖像的所有區(qū)域（即它們沒(méi)有眩光）組合到一個(gè)沒(méi)有眩光的圖像中。這對(duì)于檢查高反射率零件或通過(guò)塑料或透明材料覆蓋物或包裹物檢查零件很有用。

如何處理運(yùn)動(dòng)中目標(biāo)物的檢測(cè)

假如部件在檢測(cè)過(guò)程中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，SFS的嵌入式活動(dòng)矯正機(jī)制可以處理同一部件在每一圖像擷取時(shí)位于不同位置的情況。再通過(guò)額外的一副圖像，即所謂的搜尋圖像。通過(guò)比較第一副圖像和搜尋圖像，算法會(huì)找出部件在圖像擷取時(shí)的活動(dòng)模式，從而識(shí)別并對(duì)齊正確的像素。

磁磚彩色圖 磁磚單色圖像

經(jīng)SFS處理的圖像

SFS陰影重建技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

這種先進(jìn)的視覺(jué)解決方案具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)先進(jìn)軟件算法配合多角度照明，它有助于消除表面背景效果（例如噪音或色彩），并產(chǎn)生聚焦于具有強(qiáng)烈對(duì)比度的特征的輸出圖像，以方便檢查。它特別適合檢查多種材料（例如金屬，塑料，橡膠和陶瓷）的反射表面和粗糙表面是否有瑕疵（例如凹痕，凹槽，裂縫和劃痕），并清晰顯示難以理解的字符。
編輯：lyn